Profundidad del fondo marino versus edad

Término en geología

La profundidad del fondo marino en los flancos de una dorsal oceánica está determinada principalmente por la edad de la litosfera oceánica ; El fondo marino más antiguo es más profundo. Durante la expansión del fondo marino , el enfriamiento, la contracción y el ajuste isostático de la litosfera y el manto con la edad provocan la profundización del fondo marino. Esta relación se ha comprendido mejor alrededor de 1969, con importantes actualizaciones en 1974 y 1977. Se han propuesto dos teorías principales para explicar esta observación: una en la que el manto, incluida la litosfera, se está enfriando; el modelo del manto enfriándose, y un segundo donde una placa litosférica se enfría sobre un manto a una temperatura constante; el modelo de placa de enfriamiento. El modelo del manto enfriado explica las observaciones de edad y profundidad del fondo marino antes de 80 millones de años. El modelo de placa de enfriamiento explica mejor las observaciones de edad y profundidad para fondos marinos de más de 20 millones de años. Además, el modelo de placas de enfriamiento explica la profundidad y el flujo de calor casi constantes observados en fondos marinos y litosferas muy antiguos. En la práctica, es conveniente utilizar la solución del modelo del manto de enfriamiento para una relación edad-profundidad inferior a 20 millones de años. Más antiguo que este, el modelo de placa de enfriamiento también se ajusta a los datos. Más allá de 80 millones de años, el modelo de placas encaja mejor que el modelo del manto.

Fondo

Las primeras teorías sobre la expansión del fondo marino a principios y mediados del siglo XX explicaban las elevaciones de las dorsales en medio del océano como afloramientos por encima de las corrientes de convección en el manto de la Tierra . ^{[1] [2]}

La siguiente idea relacionó la expansión del fondo marino y la deriva continental en un modelo de tectónica de placas . En 1969, las elevaciones de las crestas se explicaron como la expansión térmica de una placa litosférica en el centro de expansión. ^[3] A este 'modelo de placas de enfriamiento' le siguió en 1974 la observación de que las elevaciones de las crestas podían modelarse enfriando todo el manto superior, incluida cualquier placa. ^[4] A esto le siguió en 1977 un modelo de placas más refinado que explicaba datos que mostraban que tanto las profundidades del océano como el flujo de calor de la corteza oceánica se acercaban a un valor constante para fondos marinos muy antiguos. ^[5] Estas observaciones no podían explicarse por el anterior 'modelo del manto de enfriamiento' que predecía un aumento de la profundidad y una disminución del flujo de calor a edades muy avanzadas.

Topografía del fondo marino: modelos de enfriamiento del manto y la litosfera

La profundidad del fondo marino (o la altura de un lugar en una dorsal oceánica por encima del nivel de la base) está estrechamente correlacionada con su edad (es decir, la edad de la litosfera en el punto donde se mide la profundidad). La profundidad se mide hasta la parte superior de la corteza oceánica , debajo de cualquier sedimento suprayacente. La relación edad-profundidad se puede modelar mediante el enfriamiento de una placa de litosfera ^{[3] [6] [7] [8] [5]} o el medio espacio del manto en áreas sin subducción significativa . ^[4] La distinción entre los dos enfoques es que el modelo de placa requiere que la base de la litosfera mantenga una temperatura constante a lo largo del tiempo y el enfriamiento es de la placa por encima de este límite inferior. El modelo del manto de enfriamiento, que se desarrolló después del modelo de placas, no requiere que la base de la litosfera se mantenga a una temperatura constante y límite. El resultado del modelo del manto que se enfría es que se predice que la profundidad del fondo marino es proporcional a la raíz cuadrada de su edad. ^[4]

Modelo de manto de enfriamiento (1974)

En el modelo de medio espacio del manto enfriándose desarrollado en 1974, ^[4] la altura del lecho marino (parte superior de la corteza) está determinada por la litosfera oceánica y la temperatura del manto, debido a la expansión térmica. El resultado simple es que la altura de la cresta o la profundidad del fondo marino es proporcional a la raíz cuadrada de su edad. ^[4] En todos los modelos, la litosfera oceánica se forma continuamente a un ritmo constante en las dorsales oceánicas . La fuente de la litosfera tiene forma de semiplano ( x = 0, z < 0) y una temperatura constante T ₁ . Debido a su creación continua, la litosfera en x > 0 se aleja de la cresta a una velocidad constante , que se supone grande en comparación con otras escalas típicas del problema. La temperatura en el límite superior de la litosfera ( z = 0) es una constante T ₀ = 0. Por tanto, en x = 0 la temperatura es la función escalonada de Heaviside . Se supone que el sistema está en un estado casi estacionario , de modo que la distribución de temperatura es constante en el tiempo, es decir ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle T_{1}\cdot \Theta (-z)}$ ${\displaystyle T=T(x,z).}$

Sustituyendo los parámetros por sus estimaciones aproximadas en la solución para la altura del fondo del océano : ${\displaystyle h(t)}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\kappa &\sim 8\cdot 10^{-7}\ \mathrm {m} ^{2}\cdot \mathrm {s} ^{-1}&&{\text{for the thermal diffusivity}}\\\alpha &\sim 4\cdot 10^{-5}\ {}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}&&{\text{for the thermal expansion coefficient}}\\T_{1}&\sim 1220\ {}^{\circ }\mathrm {C} &&{\text{for the Atlantic and Indian oceans}}\\T_{1}&\sim 1120\ {}^{\circ }\mathrm {C} &&{\text{for the eastern Pacific}}\end{aligned}}}$

tenemos: ^[4]

${\displaystyle h(t)\sim {\begin{cases}h_{0}-390{\sqrt {t}}&{\text{for the Atlantic and Indian oceans}}\\h_{0}-350{\sqrt {t}}&{\text{for the eastern Pacific}}\end{cases}}}$

donde la altura está en metros y el tiempo en millones de años. Para obtener la dependencia de x , se debe sustituir t = x / ~ Ax / L , donde L es la distancia entre la cresta y la plataforma continental (aproximadamente la mitad del ancho del océano) y A es la edad de la cuenca oceánica. ${\displaystyle v}$

Más que la altura del fondo del océano sobre una base o nivel de referencia , lo que interesa es la profundidad del fondo marino . Porque ( medido desde la superficie del océano) podemos encontrar que: ${\displaystyle h(t)}$ ${\displaystyle h_{b}}$ ${\displaystyle d(t)}$ ${\displaystyle d(t)+h(t)=h_{b}}$ ${\displaystyle h_{b}}$

${\displaystyle d(t)=h_{b}-h_{0}+350{\sqrt {t}}}$; para el Pacífico oriental, por ejemplo, donde está la profundidad en la cresta de la cresta, normalmente 2500 m. ^[9] ${\displaystyle h_{b}-h_{0}}$

Modelo de placa de enfriamiento (1977)

La profundidad predicha por la raíz cuadrada de la edad del fondo marino encontrada por la derivación del manto enfriado en 1974 ^[4] es demasiado profunda para un fondo marino de más de 80 millones de años. ^[5] La profundidad se explica mejor mediante un modelo de placa de litosfera enfriándose que mediante el semiespacio del manto enfriándose. ^[5] La placa tiene una temperatura constante en su base y en el borde de extensión. La derivación del modelo de placa de enfriamiento también comienza con la ecuación del flujo de calor en una dimensión, al igual que el modelo del manto de enfriamiento. La diferencia está en requerir un límite térmico en la base de una placa de enfriamiento. El análisis de los datos de profundidad versus edad y de profundidad versus raíz cuadrada de la edad permitió a Parsons y Sclater ^[5] estimar los parámetros del modelo (para el Pacífico Norte):

~125 km para el espesor de la litosfera

${\displaystyle T_{1}\thicksim 1350\ {}^{\circ }\mathrm {C} }$en la base y borde joven del plato

${\displaystyle \alpha \thicksim 3.2\cdot 10^{-5}\ {}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}}$

Suponiendo un equilibrio isostático en todas partes debajo de la placa de enfriamiento se obtiene una relación edad-profundidad revisada para el fondo marino más antiguo que es aproximadamente correcta para edades tan jóvenes como 20 millones de años:

${\displaystyle d(t)=6400-3200\exp {\bigl (}-t/62.8{\bigr )}}$metros

Por lo tanto, el fondo marino más antiguo se profundiza más lentamente que el más joven y, de hecho, se puede suponer que es casi constante a ~6400 m de profundidad. Su modelo de placas también permitió una expresión para el flujo de calor conductivo, q(t) desde el fondo del océano, que es aproximadamente constante más allá de 120 millones de años: ${\displaystyle 1\cdot 10^{-6}\mathrm {cal} \,\mathrm {cm} ^{-2}\mathrm {sec} ^{-1}}$

${\displaystyle q(t)=11.3/{\sqrt {t}}}$

Parsons y Sclater concluyeron que algún tipo de convección del manto debe aplicar calor a la base de la placa en todas partes para evitar el enfriamiento por debajo de los 125 km y la contracción de la litosfera (profundización del fondo marino) a edades más avanzadas. ^[5] Morgan y Smith ^{[10] [11]} demostraron que el aplanamiento de la profundidad del fondo marino más antiguo puede explicarse por el flujo en la astenosfera debajo de la litosfera.

Se siguió estudiando la relación edad-profundidad-flujo de calor con mejoras en los parámetros físicos que definen las placas litosféricas oceánicas. ^{[12] [13] [14]}

Impactos

El método habitual para estimar la edad del fondo marino es a partir de datos de anomalías magnéticas marinas y aplicando la hipótesis de Vine-Matthews-Morley . Otras formas incluyen costosas perforaciones en aguas profundas y la datación del material del núcleo. Si se conoce la profundidad en un lugar donde las anomalías no están cartografiadas o están ausentes, y no hay muestras del fondo marino disponibles, conocer la profundidad del fondo marino puede producir una estimación de la edad utilizando las relaciones edad-profundidad. ^{[4] [5]}

Además de esto, si la tasa de expansión del fondo marino en una cuenca oceánica aumenta, entonces la profundidad promedio en esa cuenca oceánica disminuye y, por lo tanto, su volumen disminuye (y viceversa). Esto da como resultado un aumento (descenso) eustático global del nivel del mar porque la Tierra no se está expandiendo. Los dos principales impulsores de la variación del nivel del mar a lo largo del tiempo geológico son los cambios en el volumen de hielo continental en la tierra y los cambios a lo largo del tiempo en la profundidad promedio de la cuenca oceánica (volumen de la cuenca) dependiendo de su edad promedio. ^[15]

Ver también

• El nivel del mar
• Curva del nivel del mar
• Ecuación del nivel del mar
• aumento del nivel del mar

Referencias

1. Dietz, Robert S. (1961). "Evolución de los continentes y las cuencas oceánicas mediante la expansión del fondo marino". Naturaleza . 190 (4779): 854–857. Código Bib :1961Natur.190..854D. doi :10.1038/190854a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4288496.
2. Hess, HH (noviembre de 1962). «Historia de las cuencas oceánicas» (PDF) . En AEJ Engel; Harold L. James; BF Leonard (eds.). Estudios petrológicos: un volumen en honor a AF Buddington . Boulder, CO: Sociedad Geológica de América. págs. 599–620.
3. McKenzie, director de fotografía; Sclater, JG (1 de marzo de 1969). "El flujo de calor en el Pacífico oriental y el fondo del mar se extienden". Boletín Volcanológico . 33 (1): 101-117. Código bibliográfico : 1969BVol...33..101M. doi :10.1007/BF02596711. ISSN  1432-0819. S2CID  129021651.
4. Davis, EE; Lister, CRB (1974). "Fundamentos de la topografía de Ridge Crest". Cartas sobre ciencias planetarias y de la Tierra . 21 (4): 405–413. Código Bib : 1974E y PSL..21..405D. doi :10.1016/0012-821X(74)90180-0.
5. Parsons, Barry; Sclater, John G. (10 de febrero de 1977). "Un análisis de la variación de la batimetría del fondo del océano y el flujo de calor con la edad". Revista de investigaciones geofísicas . 82 (5): 803–827. Código bibliográfico : 1977JGR....82..803P. doi :10.1029/jb082i005p00803. ISSN  2156-2202.
6. McKenzie, Dan P. (15 de diciembre de 1967). "Algunas observaciones sobre el flujo de calor y las anomalías de la gravedad". Revista de investigaciones geofísicas . 72 (24): 6261–6273. Código bibliográfico : 1967JGR....72.6261M. doi :10.1029/JZ072i024p06261.
7. Sclater, JG; Francheteau, J. (1 de septiembre de 1970). "Las implicaciones de las observaciones del flujo de calor terrestre en los modelos tectónicos y geoquímicos actuales de la corteza y el manto superior de la Tierra". Revista Geofísica Internacional . 20 (5): 509–542. Código bibliográfico : 1970GeoJ...20..509S. doi : 10.1111/j.1365-246X.1970.tb06089.x . ISSN  0956-540X.
8. Sclater, John G.; Anderson, Roger N.; Bell, M. Lee (10 de noviembre de 1971). "Elevación de dorsales y evolución del Pacífico centro oriental". Revista de investigaciones geofísicas . 76 (32): 7888–7915. Código bibliográfico : 1971JGR....76.7888S. doi :10.1029/jb076i032p07888. ISSN  2156-2202.
9. MacDonald, Ken. "GalAPAGoS: donde Ridge se encuentra con Hotspot". Explorador oceánico de la NOAA . Consultado el 10 de octubre de 2023 .
10. Morgan, Jason Phipps; Smith, Walter HF (1992). "Aplanamiento de la curva profundidad-edad del fondo marino como respuesta al flujo astenosférico". Naturaleza . 359 (6395): 524–527. Código Bib :1992Natur.359..524M. doi :10.1038/359524a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4326297.
11. Morgan, Jason Phipps; Smith, Walter HF (1994). "Corrección: aplanamiento de la curva profundidad-edad del fondo marino como respuesta al flujo astenosférico". Naturaleza . 371 (6492): 83.doi : 10.1038 /371083a0 . ISSN  1476-4687. S2CID  4270220.
12. Stein, Carol A.; Stein, Seth (1992). "Un modelo para la variación global de la profundidad oceánica y el flujo de calor con la edad litosférica". Naturaleza . 359 (6391): 123–129. Código Bib :1992Natur.359..123S. doi :10.1038/359123a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4272482.
13. McKenzie, D; Jackson, J; Priestley, K (15 de mayo de 2005). "Estructura térmica de la litosfera oceánica y continental". Cartas sobre ciencias planetarias y de la Tierra . 233 (3–4): 337–349. doi :10.1016/j.epsl.2005.02.005.
14. Grose, Christopher J. (1 de junio de 2012). "Propiedades de la litosfera oceánica: predicciones revisadas del modelo de enfriamiento de placas". Cartas sobre ciencias planetarias y de la Tierra . 333–334: 250–264. Código Bib : 2012E y PSL.333..250G. doi :10.1016/j.epsl.2012.03.037. ISSN  0012-821X.
15. Miller, Kenneth G. (2009), "Cambio del nivel del mar, últimos 250 millones de años", en Gornitz, Vivien (ed.), Enciclopedia de paleoclimatología y entornos antiguos , Serie Enciclopedia de Ciencias de la Tierra, Springer Países Bajos, págs. 887, doi :10.1007/978-1-4020-4411-3_206, ISBN 978-1-4020-4551-6

Otras lecturas

McKenzie, Dan (30 de mayo de 2018). "Un geólogo reflexiona sobre una larga carrera". Revista Anual de Ciencias de la Tierra y Planetarias . 46 (1): 1–20. Código Bib : 2018AREPS..46....1M. doi : 10.1146/annurev-earth-082517-010111 . ISSN  0084-6597.